Studien zur Residenz von Gerste gegen Magnaporthe oryzae

Jansen, Marcus; Slusarenko, Alan

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-20083

Studien zur Residenz von Gerste gegen Magnaporthe oryzae = Studies on the resistance of barley against Magnaporthe oryzae

Jansen, Marcus

2007

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Marcus Jansen

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2007

UmfangX, 217 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2007

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Slusarenko, Alan (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2007-08-31

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-20083
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/62467/files/Jansen_Marcus.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Resistenz (Genormte SW) ; Pflanzenkrankheit (Genormte SW) ; Phytomedizin <Pflanzenschutz> (Genormte SW) ; Biowissenschaften, Biologie (frei) ; Mutantenstudie (frei) ; resistance (frei) ; plant disease (frei) ; phytopathology (frei) ; mutant analysis (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
Gerste ist eine Wirtpflanze für Magnaporthe oryzae, den Erreger des Reisbrandes (rice blast disease). In Gerste führen mlo-Mutationen einerseits zur nicht-rassenspezifischen Mehltauresistenz, jedoch andererseits zur Hypersuszeptibilität gegen M. oryzae. MLO-Pflanzen sind moderat anfällig gegen M. oryzae. In einem mutationsanalytischen Ansatz wurden die Mutanten emr1 und emr2 identifiziert, die im genetischen Hintergrund von BCIngrid mlo5 eine gesteigerte Resistenz gegen M. oryzae aufwiesen. Die im Vergleich zu den BCIngrid mlo5-Pflanzen quantitativ erhöhte Resistenz der Mutante emr1 korrelierte auf mikroskopischer Ebene mit einer gesteigerten Penetrationsresistenz. Die emr1-vermittelte Resistenz wurde monogenetisch-rezessiv vererbt und cosegregierte mit einer gesteigerten Wasserretention. Diese wurde durch eine verminderte epicuticulare Wachsschicht verursacht, deren chemische Zusammensetzung auf eine Mutation in einem Fettsäure-Elongase-Gen hindeutete. Die Cosegregation beider Eigenschaften wies auf eine einzelne oder zwei nahe benachbarte Mutationen hin. Die emr1-vermittelte Resistenz wirkte gegen M. oryzae, nicht jedoch gegen Rostpilze oder nekrotrophe Pilze wie Drechslera teres oder Rhynchosporium secalis. Die emr1-Pflanzen waren gegen Gerstenmehltau resistent, was sich durch das Vorhandensein des mlo5-Gens erklären lässt. Trotz des Unterschiedes in der Anfälligkeit gegen M. oryzae verhielten sich die Peroxidase-Aktivität als biochemischer Marker und die PR-Genexpression als molekularer Marker der Pathogenabwehr in emr1-Pflanzen ähnlich wie in mlo5-Pflanzen. Lediglich die Akkumulation PR2-, PR3-, und PR5b-spezifischer Transkripte war in emr1-Pflanzen schwächer als in mlo5-Pflanzen, was möglicherweise mit der geringeren Anfälligkeit der emr1-Pflanzen zusammenhing. Erworbene Resistenz von emr1 gegen M. oryzae konnte durch Applikation von DCINA induziert werden.• Die emr1-Mutation wirkte spezifisch in der Interaktion von Gerste mit M. oryzae und stärkte die Resistenz der Pflanzen gegen den Pilz. Die emr2-Pflanzen blieben nach Inokulation mit M. oryzae nahezu frei von blast-Symptomen. Die emr2-vermittelte Resistenz wurde ebenfalls monogenetisch rezessiv vererbt, emr2 und emr1 waren nicht allelisch. Die emr2-Pflanzen waren kleiner und hatten einen geringeren Kornertrag pro Ähre als die BCIngrid mlo5 -Pflanzen. Die Resistenz war nicht nur gegen M. oryzae, sondern auch gegen D. teres und R. secalis wirksam. Sie wirkte jedoch nicht gegen Rostpilze. Zusätzlich wurde beobachtet, dass Pseudomonas syringae pv. syringae sich in den Interzellularen von emr2-Pflanzen nicht vermehren konnte, während in MLO-, mlo5- und emr1-Pflanzen eine starke Vermehrung stattfand. Auch bei den emr2-Pflanzen führte das mlo5-Gen zur Resistenz gegen Gerstenmehltau. Konstitutiv erhöhte POX-Aktivität und PR-Genexpression in emr2 waren Hinweise auf eine konstitutiv aktive Resistenz. Sowohl POX-Aktivität als auch PR-Genexpression wurden frühzeitig nach Inokulation mit M. oryzae gesteigert und könnten daher zur effektiven Abwehr beitragen.• Die emr2-Mutante wies einen konstitutiven Resistenz-Phänotyp auf, ähnlich wie dies bei den cpr- und cim-Mutanten von A. thaliana der Fall ist. Die rom1-Mutation stellt im genetischen Hintergrund von Mla12/rar1-2 die Resistenz der Gerste gegen Gerstenmehltau wieder her. Daher wurde untersucht, ob diese Mutation auch Auswirkungen auf die Interaktion von Gerste mit M. oryzae hat. In den rom1-Pflanzen kam es zu einer starken Zunahme der blast-Anzahl im Vergleich zu den Mla12/rar-1-2-Pflanzen. Auf histologischer Ebene war dies mit einer Abnahme der effektiven Resistenzreaktionen der Epidermiszellen verbunden. Gleichzeitig kam es bei den rom1-Pflanzen zur Begrenzung des in-planta-Wachstums des Pilzes im Mesophyll, was zu stark verminderten blast-Durchmessern, verglichen mit den blasts auf den Mla12/rar-1-2-Pflanzen, führte. Durch Infektionsversuche mit Hordatin-defizienten Mutanten wurde ein möglicher Einfluss von Hordatinen auf die Resistenz gegen M. oryzae untersucht. Diese Mutanten waren im Vergleich zu den Wildtyp-Pflanzen anfälliger gegen den Pilz, was auf einen Einfluss der Hordatine auf die Resistenz von Gerste gegen M. oryzae hinweist. Die oberirdischen Pflanzenteile, aber auch die Wurzeln können von Pilzen der Gattung Magnaporthe befallen werden. Blätter von Gerste und Reis können Resistenz gegen den Pilz aufweisen. Durch Infektionsversuche mit Wurzeln sollte untersucht werden, ob die Resistenz organspezifisch wirkt. Die rassenspezifische Resistenz von Reis gegen M. oryzae und die erworbene Resistenz von Reis und Gerste gegen M. oryzae waren in den Wurzeln nicht in gleichem Maße wirksam wie dies in den Blättern der Fall war. Gerstenwurzeln des Genotyps MLO waren genauso anfällig gegen M. oryzae wie mlo5-Wurzeln, was darauf hinwies, dass auch die Basisresistenz in Wurzeln beeinträchtigt war. Darüber hinaus waren Gerstenwurzeln auch gegen ein Magnaporthe-Isolat anfällig, das auf Gerstenblättern eine Nicht-Wirt-Interaktion zeigt. Somit wirkte auch die Nicht-Wirt-Resistenz in Wurzeln nicht in dem Maße wie in Blättern.

Barley is a host plant of Magnaporthe oryzae which is the causal agent of rice blast disease. Barley plants carrying a mlo-mutation have race non-specific resistance to powdery mildew but are contrariwise hypersusceptible to M. oryzae. MLO wild-type plants are moderately susceptible to M. oryzae. The mutants emr1 and emr2 were identified in a mutation analysis for enhanced resistance to M. oryzae in the genetic background of BCIngrid mlo5. The emr1 mutant had a quantitatively elevated resistance to M. oryzae in comparison to BCIngrid mlo5 plants which correlated with an enhanced cellular penetration resistance. The resistance was inherited by a single recessive gene and cosegregated with enhanced water retention of the leaves. The latter was caused by a diminished epicuticular wax layer whose chemical composition hinted at a mutation in a fatty acid elongase gene. Cosegregation of both traits indicated a mutation in one single gene or two closely neighbouring genes. Resistance mediated by emr1 was effective against M. oryzae but not against rust fungi or necrotrophic fungi, such as Drechslera teres or Rhynchosporium secalis. The resistance of emr1-plants to barley powdery mildew was due to the presence of the mlo5-gene. Peroxidase activity as biochemical marker and PR gene expression as molecular marker of pathogen defence comported in emr1 plants similar to mlo5 plants despite the difference in resistance to M. oryzae. Merely the accumulation of PR2-, PR3, and PR5b-specific transcripts was weaker in emr1 than in mlo5 plants, which is possibly due to the lower susceptibility of emr1. Acquired resistance to M. oryzae could be induced in emr1 plants by application of DCINA.• The emr1-mutation acted specifically in the interaction of barley with M. oryzae and strengthened the resistance of the plants against the fungus. The emr2-plants remained nearly free of blast symptoms after inoculation with M. oryzae. Resistance conferred by emr2, like emr1, was inherited by a single recessive gene but the mutations were not allelic. The emr2 plants were smaller and had lower grain yield per spike than BCIngrid mlo5 plants. Resistance was effective not only against M. oryzae but also against D. teres and R. secalis. However it was not effective against rust fungi. Additionally, an inhibition of growth of Pseudomonas syringae pv. syringae in emr2 intercellular spaces was contrasted by bacterial multiplication in intercellular spaces of MLO, mlo5, and emr1 plants. As in emr1, the mlo5-gene caused resistance to powdery mildew in emr2 plants. A constitutive enhancement of both POX-activity and PR-gene expression in emr2 hinted at constitutively activated resistance in the emr2 mutant. POX activity as well as PR gene expression showed an early enhancement after inoculation with M. oryzae and therefore could contribute to effective defence.• The emr2 mutant showed a constitutive resistance phenotype similar to the cpr- and cim- mutants of A. thaliana. Barley rom1 mutation restores resistance to powdery mildew in the Mla12/rar1-2 genetic background. Therefore a possible influence of the rom1 mutation on the interaction of barely with M. oryzae was analysed. A strong increase in the number of blasts per leaf was detected in rom1 plants compared to Mla12/rar1-2 plants. Effective resistance reactions of epidermal cells decreased concomitantly, as seen from microscopic analyses. At the same time in-planta growth of M. oryzae was limited which led to reduced blast diameters compared to the blasts on Mla12/rar1-2 plants. A possible impact of hordatines on the resistance of barley to M. oryzae was analysed by infection assays with hordatine-deficient mutants. These mutants were more susceptible to the fungus than wild type plants, indicating that hordatines can influence the interaction of barley with M. oryzae. Above-ground parts as well as roots can be colonised by fungi of the genus Magnaporthe. Leaves of barley and rice can exhibit resistance to the fungus. Infection assays with roots were carried out to analyse whether resistance acts in an organ-specific manner. Race-specific resistance of rice to M. oryzae and acquired resistance of rice and barley to M. oryzae were not as effective in roots as they were in leaves. Barley roots of MLO-plants were as susceptible to M. oryzae as roots of mlo5-plants. This result indicated an impaired efficiency of basal resistance in roots. Furthermore, barley roots were susceptible to an isolate of Magnaporthe, which shows a non-host interaction with barley leaves. Thus non-host resistance in roots was not as effective as in leaves.

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